CN112910449A - 一种igbt关断电压尖峰的控制电路和空调器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IGBT关断电压尖峰的控制电路和空调器，该电路包括控制单元，用于向驱动单元发送控制指令；所述驱动单元，用于根据所述控制指令向IGBT功率模块提供驱动电压；所述IGBT功率模块，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；反馈控制单元，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰，从而基于反馈控制单元产生的感应电压实时高效的控制IGBT关断速度，抑制了关断电压尖峰，进而降低了IGBT集电极和发射极间Vce高压应力。

Description

一种IGBT关断电压尖峰的控制电路和空调器

技术领域

本申请涉及空调控制领域，更具体地，涉及一种IGBT关断电压尖峰的控制电路和空调器。

背景技术

现有商用空调变频驱动设计由于其高电压与大电流设计时，一般采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)功率模块，其是变频逆变设计的的核心器件。在PCB设计应用中，环路中的杂散电感是无法避免的，设计环路中每一段都可能存在杂散电感。正是寄生电感的存在，在IGBT开关的关断的过程中，杂散电感上会产生的感应电动势。该感生电压与在母线电压相互叠加形成电压尖峰，并作用在IGBT的集电极和发射极之间，当该电压尖峰超出器件的SOA(Safe operating area，安全工作区)时，器件应用过程会因为电应力过高而存在失效风险。

现有技术中，如图2所示，常采用通过TVS ZD1与二极管D1串联的方式对母线电压进行钳位。该电路对抑制IGBT关断过程中集电极与发射极之间的Vce电压确实有很好的抑制作用，但也存在缺陷：其流经驱动电阻的驱动电流大，引起TVS损耗大，选型困难，当钳位电压设计不合理时会引起的误操作与失去钳位作用等。为解决上述缺陷，现有技术采用了如图2中虚线所示的电路，TVS ZD1与二极管D1直接引入驱动放大电路之前，可以降低TVS功耗问题，但是会引起驱动环路的延时、震荡等问题，综上，现有技术中无法有效进行IGBT关断电压尖峰的控制。

因此，如何提供一种可以有效控制IGBT关断电压尖峰的电路，提高IGBT的可靠性，是目前有待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种IGBT关断电压尖峰的控制电路，用以解决现有技术中不能有效控制IGBT关断电压尖峰的技术问题。该电路包括：

控制单元，用于向驱动单元发送控制指令；

所述驱动单元，用于根据所述控制指令向IGBT功率模块提供驱动电压；

所述IGBT功率模块，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；

反馈控制单元，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰。

在本申请一些实施例中，所述控制单元、所述驱动单元和所述IGBT功率模块顺序连接，所述反馈控制单元的第一端连接所述IGBT功率模块的第一端，所述反馈控制单元的第二端接地。

在本申请一些实施例中，所述IGBT功率模块还包括第一电阻，其中，

所述第一电阻的第一端连接所述驱动单元的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述IGBT的栅极，所述IGBT的发射极为所述IGBT功率模块的第一端，所述IGBT的集电极连接母线电压。

在本申请一些实施例中，所述反馈控制单元包括第二电阻、第三电阻、第一二极管和第二二极管，其中，

所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极的共接于所述反馈控制单元的第一端，所述第一二极管的阴极连接所述第二电阻的第一端，所述第二二极管的阳极连接所述第三电阻的第一端，所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第二端的共接于所述反馈控制单元的第二端。

在本申请一些实施例中，所述驱动单元包括驱动模块，第四电阻、第一三极管和第二三极管，其中，

所述驱动模块的输入端连接所述控制单元，所述驱动模块的输出端连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端分别连接所述第一三极管的基极和所述第二三极管的基极，所述第一三极管的集电极连接供电电源正极，所述第二三极管的集电极连接供电电源负极，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极共接于所述驱动单元的第一端。

在本申请一些实施例中，所述驱动单元还包括第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容并联在所述供电电源负极和地之间。

在本申请一些实施例中，所述IGBT功率模块为功率集成模块PIM模块。

在本申请一些实施例中，所述控制单元是微控制单元MCU，所述MCU连接所述驱动模块的输入端。

在本申请一些实施例中，所述驱动电压包括开通电压和关断电压，所述感应电压与所述关断电压的方向相反。

相应的，本发明还提出了一种空调器，包括：

冷媒循环回路，使冷媒在压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和四通阀组成回路中进行循环；

压缩机，用于进行将低温低压冷媒气体压缩成高温高压冷媒气体并排至冷凝器的工作；

室外热交换器和室内热交换器，其中，一个为冷凝器进行工作，另一个为蒸发器进行工作；

四通阀，用于控制所述冷媒循环回路中冷媒流向，以使室外热交换器和室内热交换器，作为冷凝器和蒸发器之间进行切换；

所述空调器还包括如上所述的IGBT关断电压尖峰的控制电路。

通过应用以上技术方案，IGBT关断电压尖峰的控制电路包括控制单元，用于向驱动单元发送控制指令；所述驱动单元，用于根据所述控制指令向IGBT功率模块提供驱动电压；所述IGBT功率模块，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；反馈控制单元，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰，从而基于反馈控制单元产生的感应电压实时高效的控制IGBT关断速度，限制了关断过程中的di/dt并抑制了关断电压尖峰，进而降低了IGBT集电极和发射极间Vce高压应力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提出的一种IGBT关断电压尖峰的控制电路的结构示意图；

图2示出了现有技术中的IGBT有源钳位电路的结构示意图；

图3示出了本发明实施中IGBT开关环路流向示意图；

图4示出了本发明实施例提出的一种IGBT关断电压尖峰的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请中空调器通过使用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器来执行空调器的制冷循环。制冷循环包括一系列过程，涉及压缩、冷凝、膨胀和蒸发，并向已被调节和热交换的空气供应制冷剂。

压缩机压缩处于高温高压状态的制冷剂气体并排出压缩后的制冷剂气体。所排出的制冷剂气体流入冷凝器。冷凝器将压缩后的制冷剂冷凝成液相，并且热量通过冷凝过程释放到周围环境。

膨胀阀使在冷凝器中冷凝的高温高压状态的液相制冷剂膨胀为低压的液相制冷剂。蒸发器蒸发在膨胀阀中膨胀的制冷剂，并使处于低温低压状态的制冷剂气体返回到压缩机。蒸发器可以通过利用制冷剂的蒸发的潜热与待冷却的材料进行热交换来实现制冷效果。在整个循环中，空调器可以调节室内空间的温度。

空调器的室外单元是指制冷循环的包括压缩机和室外热交换器的部分，空调器的室内单元包括室内热交换器，并且膨胀阀可以提供在室内单元或室外单元中。

室内热交换器和室外热交换器用作冷凝器或蒸发器。当室内热交换器用作冷凝器时，空调器用作制热模式的加热器，当室内热交换器用作蒸发器时，空调器用作制冷模式的冷却器。

空调器中还包括IGBT关断电压尖峰的控制电路，如图1所示，包括控制单元100、驱动单元200、IGBT功率模块300和反馈控制单元400，其中，

控制单元100，用于向所述驱动单元200发送控制指令；

驱动单元200，用于根据所述控制指令向所述IGBT功率模块300提供驱动电压；

IGBT功率模块300，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；

反馈控制单元400，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰。

其中，预设负载可以为空调器的压缩机或室内风扇。

为了有效的控制IGBT的关断电压尖峰，在本申请优选的实施例中，所述驱动电压包括开通电压和关断电压，所述感应电压与所述关断电压的方向相反。

本实施例中，开通电压为使IGBT开通的电压，关断电压为使IGBT关断的电压。在IGBT关断时，反馈控制单元产生与关断电压方向相反的感应电压，从而有效抑制IGBT的关断电压尖峰。

为了有效的控制关断电压尖峰，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述控制单元100、所述驱动单元200和所述IGBT功率模块300顺序连接，所述反馈控制单元400的第一端连接所述IGBT功率模块300的第一端，所述反馈控制单元400的第二端接地(GND)。

为了可靠的进行变频驱动，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述IGBT功率模块300还包括第一电阻R1，其中，

所述第一电阻R1的第一端连接所述驱动单元200的第一端，所述第一电阻R1的第二端连接所述IGBT的栅极G，所述IGBT的发射极E1为所述IGBT功率模块的第一端，所述IGBT的集电极C连接母线电压Vbus。

为了可靠的对关断电压尖峰进行控制，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述反馈控制单元400包括第二电阻R2、第三电阻R3、第一二极管D1和第二二极管D2，其中，

所述第一二极管D1的阳极和所述第二二极管D2的阴极的共接于所述反馈控制单元400的第一端，所述第一二极管D1的阴极连接所述第二电阻R2的第一端，所述第二二极管D2的阳极连接所述第三电阻R3的第一端，所述第二电阻R2的第二端和所述第三电阻R3的第二端的共接于所述反馈控制单元400的第二端。

为了可靠的对IGBT进行驱动，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述驱动单元200包括驱动模块，第四电阻R4、第一三极管T1和第二三极管T2，其中，

所述驱动模块可根据IGBT的型号提供与IGBT匹配的驱动电压，驱动模块的输入端连接所述控制单元100，所述驱动模块的输出端连接所述第四电阻R4的第一端，所述第四电阻R4的第二端分别连接所述第一三极管T1的基极和所述第二三极管T2的基极，所述第一三极管T1的集电极连接供电电源正极VCC，所述第二三极管T2的集电极连接供电电源负极VE，所述第一三极管T1的发射极和所述第二三极管T2的发射极共接于所述驱动单元200的第一端。

可选的，驱动单元200为驱动IC芯片。

为了可靠的对IGBT进行驱动，在本申请一些实施例中，如图1所示，所述驱动单元200还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1和所述第二电容C2并联在所述供电电源负极VE和地GND之间。

为了可靠的进行变频驱动，在本申请一些的实施例中，所述IGBT功率模块为功率集成模块PIM模块。

为了可靠的向所述驱动单元200发送控制指令，在本申请一些实施例中，所述控制单元100是微控制单元MCU，所述MCU连接所述驱动模块的输入端。

通过应用以上技术方案，IGBT关断电压尖峰的控制电路包括控制单元，用于向驱动单元发送控制指令；所述驱动单元，用于根据所述控制指令向IGBT功率模块提供驱动电压；所述IGBT功率模块，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；反馈控制单元，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰，从而基于反馈控制单元产生的感应电压实时高效的控制IGBT关断速度，限制了关断过程中的di/dt并抑制了关断电压尖峰，进而降低了IGBT集电极和发射极间Vce高压应力。

为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种IGBT关断电压尖峰的控制电路，该电路的工作原理如下：

当IGBT开通时，栅极G通过驱动IC的电源VCC流经第一三极管T1，第一电阻R1，IGBT的G-E，二极管D1与电阻R2回路进行IGBT充电而开通。开通过程不受环路寄生电感Ls的影响，其环路流向如图3中虚线箭头所示。

当IGBT关断时，通过第三电阻R3，第二二极管D2，IGBT的G-E，第一电阻R1，第二三极管T2、驱动IC的供电电源负极VE组成的环路进行放电。其环路流向如图3中实线箭头所示。

IGBT关断时，集电极-发射极的电流变化率-di/dt会在功率环路寄生电感Ls上产生对应的感应电压。该感应电压与施加到驱动IC的关断电压反向，且-di/dt越大，该环路的感应电压就会越大。所以该感应电压会抵消驱动IC外加的驱动电源关断电压，使关断过程中IGBT功率模块栅极-发射极之间的电压Vge的下降斜率降低，使栅极电压越发缓慢地降到其关断电压。关断电压的缓慢下降又使集电极电流缓慢进行关断，其di/dt值将被限制，加在IGBT的Vce电压尖峰将同样下降。基于寄生电感Ls的感应电压实时高效的控制IGBT关断速度，从而降低Vce电压应力。

本发明实施例还提出了一种IGBT关断电压尖峰的控制方法，如图4所示，IGBT关断过程检测寄生电感Ls上的感应电压；感应电压反馈关断电压，降低IGBT关断速度；IGBT关断速度降低，di/dt降低，Vce峰值电压降低。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种IGBT关断电压尖峰的控制电路，其特征在于，包括：

控制单元，用于向驱动单元发送控制指令；

所述驱动单元，用于根据所述控制指令向IGBT功率模块提供驱动电压；

所述IGBT功率模块，包括IGBT，用于根据所述驱动电压使所述IGBT开通或关断，以对预设负载进行变频驱动；

反馈控制单元，用于在所述IGBT关断时产生感应电压，并基于所述感应电压控制所述IGBT的关断电压尖峰。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述控制单元、所述驱动单元和所述IGBT功率模块顺序连接，所述反馈控制单元的第一端连接所述IGBT功率模块的第一端，所述反馈控制单元的第二端接地。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述IGBT功率模块还包括第一电阻，其中，

所述第一电阻的第一端连接所述驱动单元的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述IGBT的栅极，所述IGBT的发射极为所述IGBT功率模块的第一端，所述IGBT的集电极连接母线电压。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述反馈控制单元包括第二电阻、第三电阻、第一二极管和第二二极管，其中，

所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极的共接于所述反馈控制单元的第一端，所述第一二极管的阴极连接所述第二电阻的第一端，所述第二二极管的阳极连接所述第三电阻的第一端，所述第二电阻的第二端和所述第三电阻的第二端的共接于所述反馈控制单元的第二端。

5.如权利要求3所述的电路，其特征在于，所述驱动单元包括驱动模块，第四电阻、第一三极管和第二三极管，其中，

所述驱动模块的输入端连接所述控制单元，所述驱动模块的输出端连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端分别连接所述第一三极管的基极和所述第二三极管的基极，所述第一三极管的集电极连接供电电源正极，所述第二三极管的集电极连接供电电源负极，所述第一三极管的发射极和所述第二三极管的发射极共接于所述驱动单元的第一端。

6.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述驱动单元还包括第一电容和第二电容，所述第一电容和所述第二电容并联在所述供电电源负极和地之间。

7.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述IGBT功率模块为功率集成模块PIM模块。

8.如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述控制单元是微控制单元MCU，所述MCU连接所述驱动模块的输入端。

9.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述驱动电压包括开通电压和关断电压，所述感应电压与所述关断电压的方向相反。

10.一种空调器，包括：

冷媒循环回路，使冷媒在压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器和四通阀组成回路中进行循环；

压缩机，用于进行将低温低压冷媒气体压缩成高温高压冷媒气体并排至冷凝器的工作；

室外热交换器和室内热交换器，其中，一个为冷凝器进行工作，另一个为蒸发器进行工作；

四通阀，用于控制所述冷媒循环回路中冷媒流向，以使室外热交换器和室内热交换器，作为冷凝器和蒸发器之间进行切换；

其特征在于，所述空调器还包括如权利要求1-9任一项所述的IGBT关断电压尖峰的控制电路。

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